兩個電子波在到達苯環(huán)彼端重新會合時產生異相性 來源：亞利桑那大學
亞利桑那大學物理學家們發(fā)現(xiàn)了一種新方法，可利用余熱發(fā)電。利用量子效應，使用一種稱作分子熱電裝置的理論模型，該技術有望提高汽車、電廠、工廠和太陽能電池板的效率。此外，更有效率的熱電材料將使臭氧-臭氧層、氯氟烴、氟氟化碳合物都過時。
研究小組由查爾斯•斯塔福（Charles Stafford）牽頭，他是物理學副教授，研究結果發(fā)表在美國化學學會《納米技術》（ACS Nano）雜志上。
“熱電裝置有可能清潔地直接把熱能轉化為電能，無需傳動部件，”論文第一作者、亞利桑那大學光學學院博士候選人賈斯汀•波格菲爾德（Justin Bergfield）說。
“我們在這個領域的同事告訴我們說，他們很有信心，我們在電腦上設計的裝置可以制做，它會具有我們在模擬中看到的特性,。”
“我們希望，我們設計的這種熱電動勢大約比別人實驗室取得的結果大100倍，”斯塔福說。不同于現(xiàn)有的熱轉化設備，如冰箱、汽輪機等，波格菲爾德和斯塔福的設備無需機械，也無需臭氧-臭氧層化合物。相反，一個橡膠狀聚合物夾在兩片用作電極的金屬之間就能搞定。
汽車和工廠排放管道可以涂上這種材料，不到百萬分之一英寸厚，就可以利用這些能量發(fā)電，否則這些能量就會作為熱量散失。
物理學家利用了量子物理學定律，這是發(fā)電技術設計中通常沒有挖掘的一個領域。對于初級學者來說，量子物理學定律似乎公然違背物質“被設想的”行為方式。
該技術的關鍵在于一條量子定律，物理學家稱作波粒二象性：像電子這樣的微小物質，其屬性既像波又像粒子。
"從某種意義上說，電子就像一輛紅色跑車，”Bergfield說。“那輛賽車既是一輛汽車，也是紅色的，就像電子既是一個粒子也是一種波。這兩者是同一事物的屬性。對我們來說電子只是不如跑車明顯而已。”
Bergfield和斯塔福發(fā)現(xiàn)可能把熱轉化為電，他們研究了聚苯乙醚（polyphenyl ethers），這些分子同時聚集形成聚合物，一種長鏈重復單元。每個聚苯乙醚分子的主干都包含一個苯環(huán)（benzene rings）鏈，而這種苯環(huán)鏈是從碳原子制成。該鏈連接每個分子的結構，作為一種“分子線”， 電子通過這種分子線傳播。
“我們倆之前都研究過這些分子，也曾考慮使用它們作為一種熱電裝置，”Bergfield說，“但是我們真的從來沒發(fā)現(xiàn)什么特別之處，直到在實驗室獨立研究的本科生米歇爾•索利斯（Michelle Solis）發(fā)現(xiàn)，仔細看，這些東西都有一種特殊屬性。”
利用電腦模擬，Bergfield隨后培育“生長”出一片分子森林，分子森林被夾在兩個電極之間，并把此陣列暴露于模擬熱源。
“當你增加每個分子中的苯環(huán)數(shù)量時，就增加發(fā)電量。”Bergfield說。
分子可以用熱發(fā)電的秘密在于其結構：像河水到了一個叉口，分子上的電子流一旦遇到苯環(huán)就一分為二，沿每個環(huán)臂各有一支電子流。
Bergfield設計了苯環(huán)電路，其設計方案是，電子在一條路徑上被迫繞環(huán)行進的距離比在另一條上長。這導致兩個電子波在到達苯環(huán)彼端重新會合時產生異相性。當電子波相遇時，它們會在一種稱為量子干涉的過程中彼此抵消。使電路內產生溫差時，電荷流的這種干擾就會導致在兩個電極之間形成電勢，即電壓。
波干擾是用于降噪耳機的一種概念：進入的聲波遇到裝置產生的對抗波，就會消除煩人的噪音。
“利用電子的波屬性開發(fā)一種概念，將它轉變成可用的能量，我們第一家，”斯塔福說。
“一種非常有效的熱電裝置，根據(jù)我們的設計，可以用一輛汽車的余熱為大約200盞100瓦的燈泡供電，”他說。“換句話說，能提高汽車效率25%，這對混合動力汽車而言將是理想的，因為它已經(jīng)使用了電動機。”
